[发明专利]一种适用于虚拟现实设备的光学系统

说明书

本发明公开了一种适用于虚拟现实设备的光学系统，沿光轴方向它依次包括光阑、一片正光焦度透镜、一片负光焦度透镜一个图像显示器；正光焦度透镜用于抑制大视场角入射的光线发散角，负光焦度透镜用于平衡正光焦度透镜产生的像散和畸变；两片透镜均为塑料材质，正光焦度透镜为低折射率、高色散系数透镜，负光焦度透镜为高折射率、低色散系数透镜，二者组合可以减小光学系统的色差。本发明提供的光学系统视场角大，单眼对角线视场角可达到100度，为虚拟现实设备提供了良好的沉浸感；在边缘视场透镜组也具有较好的像质及畸变，同时，透镜组具有较大的出瞳距和出瞳孔径，可为观察者提供更舒适的佩戴体验。

技术领域

本发明涉及一种光学系统，特别涉及一种适用于虚拟现实设备的光学系统。

背景技术

虚拟现实(Virtual Reality, VR)技术是20世纪80年代提出的一种利用计算机生成的、可交互的、具有沉浸感的视觉虚拟环境，可以按照需要生成多种虚拟环境，广泛应用于城市规划、驾驶培训和室内设计等领域。近年来随着计算机计算能力与各种类型传感器的发展，各种类型的虚拟现实头盔已出现在市场上，其基本结构由显示屏或者手机以及一组目镜组成，人眼通过目镜可以看到屏幕上放大的图像，传感器感应人头部的变化调整屏幕中左右区域分别显示的图像，使得人眼能看到立体的，具有交互性的视觉图像。

目前市场上VR头盔的光学镜头一般都是单块透镜。由于单块透镜校正光学像差的能力有限，因此往往会以降低边缘视场的像质和清晰度为代价来提高镜头整体的视场角和沉浸感，同时随着视场的增加，镜头的畸变也会迅速增加(畸变与视场成三次方关系)，特别是边缘视场畸变往往会超出人眼承受范围。尽管目前绝对多数VR头盔采取计算机反色差和反畸变补偿等方法来提高像质和减小畸变，但边缘视场像质提升效果并不明显，而且这也会对计算机的CPU和显卡性能提出了更高的要求。为了解决上述问题，市场上也出现了一些由两块光学镜片构成的VR光学系统，现就其光学特性进行分析比较。

中国实用新型专利CN 206411339U公开了一种用于虚拟现实头盔的降低畸变与色散的光学结构，该结构也是由两块分别具有正光焦度和负光焦度的透镜所组成，该系统的出瞳距(即光瞳与第一透镜面对光瞳侧表面中心的距离)只有10mm，因此会对佩戴眼镜的体验者会带来不便；另外该系统的出瞳直径只有4.98mm（焦距（21.43mm）/相对孔径倒数（4.3）），对于身体动作幅度较大的VR场景，很有可能会造成光学系统出瞳和人眼入瞳的偏离，从而影响VR体验。

中国发明专利CN 106291939A公开了一种虚拟现实显示器光学系统，该光学系统由两块分别具有正光焦度和负光焦度的透镜所组成，其中正光焦度透镜的一侧透射面为菲涅尔面，但两块透镜均为玻璃材料，其中负光焦度透镜为高折射率玻璃透镜，玻璃材料的重量和成本均高于塑料材料，且实施例中该光学系统在85⁰×80⁰视场范围内，最大畸变为22.69%。中国发明专利CN 106019596A中也使用了正、负两块透镜，其中正透镜一侧设置为衍射光学元件，另一侧设置为菲涅尔透镜，虽然在半视场角37⁰范围内的畸变小于5%，但由于衍射光学元件和菲涅尔透镜的成本要远高于普通透镜，因此该光学系统性价比不高。因此最佳的方法是通过利用两块普通塑料透镜，在严格提高中心视场像质和畸变，适当放松边缘视场像质和畸变的前提条件下，提供一种能实现大视场、大出瞳直径和大出瞳距的虚拟现实光学系统。

发明内容

本发明针对现有虚拟现实头盔存在的只能满足其中某项设计指标如畸变或色差，而不能兼顾所有指标等方面的不足，提供一种具有像差校正良好，较大视场、出瞳直径和出瞳距，结构轻型且紧凑特点，适用于虚拟现实设备的光学系统。